基于CPLD芯片EPM7128实现多功能测试系统的应用方案
引言
该多功能测试箱是一种新型专用测试仪器，其用途是为某一专用产品进行调试、维护而设计开发的，本测试箱的研制成功为生产和使用该专用产品的单位提供一种快速、高效的测试工具。该测试箱既可以接收被测试产品的数字量或模拟量信号并进行处理，然后把所得到的结果数据发送给上位机；也可以直接接收上位机的命令，并把上位机命令经过本测试箱的处理，控制被测试产品的工作；还可以进行其它辅助功能的工作。系统结构图如图1所示。
1系统工作原理
该测试系统的工作原理如图2所示。
上位机与测试箱的通讯是双向的，接口电路选用标准串行接口芯片max232。89c51采用11.0592mhz振荡器。数据传输速度选用9600波特率。传输方式选用方式1。
被测试产品输入的数字信号，通过光电耦合后，挂在两个八重3状态驱动器ls245上，在逻辑电路的控制下，读入微处理器。
被测试产品输入的模拟信号，经过运算放大器的处理，变成±10v范围的信号，在逻辑电路的控制下，由16选1模拟开关ad7506选择其一，由12位并行输出模∕数转换器ad1674转换成数据，读入微处理器。
测试箱发送给被测试产品的数字控制信号锁存于逻辑电路中，经过驱动后控制继电器的工作；测试箱发送给被测试产品的模拟控制信号锁存于逻辑电路中，在逻辑电路的控制下，先把该控制信号中的数值锁存于各自的数∕模转换器ad767内部的数据锁存器中，再进行d∕a转换，变为模拟信号输出。ad767是并行输入、电压输出的12位数∕模转换器。对于要求的高压信号由高压运算放大器opa445、opa3583产生完成。
模数∕转换、数∕模转换过程都是在微处理器的控制下自动完成的。
3 硬件电路设计
测试系统测试被测设备的16路数字信号和16路模拟信号，经过处理，把所得到的结果数据发送给上位微机；又接收上位微机的命令，经过处理，发送给被测设备64路数字信号和8路模拟信号，控制被测设备的工作。
3.1 epm7128简介
epm7128是美国altera公司生产的cpld（复杂可编程逻辑器件）芯片，其内部有2500个门可用，128个宏单元，允许对外有68个输入、输出引脚。该cpld可编程逻辑器件支持在线现场可编程操作，只要用一根专用电缆接到芯片的特定引脚上，无需拆下芯片，不需要编程器及芯片适配器，通过上位机打印口就可对芯片编程。
3.2 16路数字/模拟输入信号逻辑电路
被测试设备的16路模拟信号，经过运算放大器放大整形隔离后，挂在16选1模拟开关电路ad7506上。需要转换某一路为数字时，首先由逻辑电路控制ad7506选通某一路。其逻辑电路由四∕十六 数字译码器74ls154和六重数据触发器74ls174组成。74ls174的输出端与ad7605的地址端口a、b、c、d和片选端口cs相连。74ls174的锁存由74ls154完成。逻辑电路控制ad7506选通某一路的方法是：把要转换的某一路模拟信号的16进制地址代码和ad7506片选信号，存于逻辑电路中的六重数据触发器74ls174中即可。以后就是由12位模∕数转换器ad1674进行a/d转换。a/d转换的逻辑电路由74ls154和六重数据触发器74ls174组成。74ls174的输出端与ad1674的控制端口ce、a0/sc、r/c、12/s和片选的端口cs相连。74ls174的锁存由74ls154完成。ad1674的12位输出数字端口，与单片机的p0端口连接。按照ad1674的转换要求向ic21 74ls174锁存相应的数据，进行a/d的转换和转换结果的读取。对ad7506、ad1674应用时再加片选信号，可使芯片时通时断，不致于因长期加电工作而发热，导致损坏，或不能正常工作，也节约了电能。同时为减轻单片机p0口的负担，ad1674的转换结果由单片机的p1口分两次读取［2］。
3.3 64路数字/8路模拟输出信号逻辑电路
控制被测试设备工作的64路数字信号，其16路基本信号先锁存于逻辑电路中的两个74273锁存器ic32、ic33中，经过两个an8203驱动后，控制16个继电器工作，产生64路数字信号。两个锁存器的数据锁存由74ls154完成。64路数字输出信号控制的逻辑电路原理图如图4所示。
控制被测试设备工作的8路模拟信号，先把12位要转换的数值，存放于逻辑电路中的74ls273和74ls173中，再用74ls154选通其中一路12位数/模转换器ad767转换。产生的模拟信号，经过运算放大器进行整形放大，当然也有个隔离作用，然后控制被测设备工作。
4 软件设计
测试箱系统的软件系统程序是比较理想的。程序使用mcs51汇编语言编制，程序短小精悍，运行速度快。系统加电后程序自动启动，开始运行，先执行完系统初始化程序后，便等待中断，准备执行上位机发来的各项命令［3］。测试箱的程序流程框图如图5所示。
为了简化用户的操作，我们对上位微机的所有命令进行分析研究，归纳总结六条命令。其中四条为单字节命令，两条为双字节命令。这样处理，用户操作起来方便简单。上位机发出的命令及其功能如下：
a、 0x：上位微机要求读取产品输入给测试箱的一路模拟量，x为通道号，取值范围为0~f。测试箱接到上位微机的命令后，控制该路模拟信号进行模数转换，结果以两个字节送给上位微机。前一字节为数据的高八位，后一字节的高四位为数据的低四位，后四位为通道号。
b、 10 ：上位微机命令测试箱自检。测试箱自检后，结果返回上位微机。
c、 2x：上位微机要求读取产品输入给测试箱的一路数字量，x为通道号，取值范围为0~1。测试箱读取该路产品输入的数字量，以一个字节送给上位微机。
d、 3x：其它功能。
e、 4x xx：这是一条双字节命令，上位微机要求通过测试箱的发送给产品的一路数字量，前x为通道号，取值范围0~1。后两个x，x取值范围为0~f，xx是一个字节的数据。测试箱把该数据锁存在其通道上，控制产品工作。
f、 xx xx：这也是一条双字节命令。双字节命令仅此两条。上位微机要求通过测试箱发送给产品一路模拟量。前x为通道号，x取值范围为8~f。后三个x数据，x取值范围为0~f，xxx是12位二进制数据。测试箱把该数据转换为相应的模拟信号，并作处理，发送给产品。
程序的这样处理，有利于测试箱功能的进一步开发，满足用户的更多要求。
4 结束语
该多功能测试箱的研制成功，解决了生产第一线的急需，也解决了用户的维修困难。通过专家评定，具有国内领先水平。本测试箱经过用户使用，性能可靠，提高了测试效率和质量，减少了测试现场的劳动强度和人为因素引起的记录与计算误差，为现场测试的自动化与测试数据的科学管理提供了基本条件。根据技术合同，该测试箱精度高，抗干扰效果好，性能稳定，工作可靠，便于维护维修，操作简单方便，且各项技术指标均达到设计要求，得到用户好评。以后，可在改进型中增加更多的功能。
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该多功能测试箱是一种新型专用测试仪器，其用途是为某一专用产品进行调试、维护而设计开发的，本测试箱的研制成功为生产和使用该专用产品的单位提供一种快速、高效的测试工具。该测试箱既可以接收被测试产品的数字量或模拟量信号并进行处理，然后把所得到的结果数据发送给上位机；也可以直接接收上位机的命令，并把上位机命令经过本测试箱的处理，控制被测试产品的工作；还可以进行其它辅助功能的工作。系统结构图如图1所示。
1系统工作原理
该测试系统的工作原理如图2所示。
上位机与测试箱的通讯是双向的，接口电路选用标准串行接口芯片max232。89c51采用11.0592mhz振荡器。数据传输速度选用9600波特率。传输方式选用方式1。
被测试产品输入的数字信号，通过光电耦合后，挂在两个八重3状态驱动器ls245上，在逻辑电路的控制下，读入微处理器。
被测试产品输入的模拟信号，经过运算放大器的处理，变成±10v范围的信号，在逻辑电路的控制下，由16选1模拟开关ad7506选择其一，由12位并行输出模∕数转换器ad1674转换成数据，读入微处理器。
测试箱发送给被测试产品的数字控制信号锁存于逻辑电路中，经过驱动后控制继电器的工作；测试箱发送给被测试产品的模拟控制信号锁存于逻辑电路中，在逻辑电路的控制下，先把该控制信号中的数值锁存于各自的数∕模转换器ad767内部的数据锁存器中，再进行d∕a转换，变为模拟信号输出。ad767是并行输入、电压输出的12位数∕模转换器。对于要求的高压信号由高压运算放大器opa445、opa3583产生完成。
模数∕转换、数∕模转换过程都是在微处理器的控制下自动完成的。
3 硬件电路设计
测试系统测试被测设备的16路数字信号和16路模拟信号，经过处理，把所得到的结果数据发送给上位微机；又接收上位微机的命令，经过处理，发送给被测设备64路数字信号和8路模拟信号，控制被测设备的工作。
3.1 epm7128简介
epm7128是美国altera公司生产的cpld（复杂可编程逻辑器件）芯片，其内部有2500个门可用，128个宏单元，允许对外有68个输入、输出引脚。该cpld可编程逻辑器件支持在线现场可编程操作，只要用一根专用电缆接到芯片的特定引脚上，无需拆下芯片，不需要编程器及芯片适配器，通过上位机打印口就可对芯片编程。
3.2 16路数字/模拟输入信号逻辑电路
被测试设备的16路模拟信号，经过运算放大器放大整形隔离后，挂在16选1模拟开关电路ad7506上。需要转换某一路为数字时，首先由逻辑电路控制ad7506选通某一路。其逻辑电路由四∕十六 数字译码器74ls154和六重数据触发器74ls174组成。74ls174的输出端与ad7605的地址端口a、b、c、d和片选端口cs相连。74ls174的锁存由74ls154完成。逻辑电路控制ad7506选通某一路的方法是：把要转换的某一路模拟信号的16进制地址代码和ad7506片选信号，存于逻辑电路中的六重数据触发器74ls174中即可。以后就是由12位模∕数转换器ad1674进行a/d转换。a/d转换的逻辑电路由74ls154和六重数据触发器74ls174组成。74ls174的输出端与ad1674的控制端口ce、a0/sc、r/c、12/s和片选的端口cs相连。74ls174的锁存由74ls154完成。ad1674的12位输出数字端口，与单片机的p0端口连接。按照ad1674的转换要求向ic21 74ls174锁存相应的数据，进行a/d的转换和转换结果的读取。对ad7506、ad1674应用时再加片选信号，可使芯片时通时断，不致于因长期加电工作而发热，导致损坏，或不能正常工作，也节约了电能。同时为减轻单片机p0口的负担，ad1674的转换结果由单片机的p1口分两次读取［2］。
3.3 64路数字/8路模拟输出信号逻辑电路
控制被测试设备工作的64路数字信号，其16路基本信号先锁存于逻辑电路中的两个74273锁存器ic32、ic33中，经过两个an8203驱动后，控制16个继电器工作，产生64路数字信号。两个锁存器的数据锁存由74ls154完成。64路数字输出信号控制的逻辑电路原理图如图4所示。
控制被测试设备工作的8路模拟信号，先把12位要转换的数值，存放于逻辑电路中的74ls273和74ls173中，再用74ls154选通其中一路12位数/模转换器ad767转换。产生的模拟信号，经过运算放大器进行整形放大，当然也有个隔离作用，然后控制被测设备工作。
4 软件设计
测试箱系统的软件系统程序是比较理想的。程序使用mcs51汇编语言编制，程序短小精悍，运行速度快。系统加电后程序自动启动，开始运行，先执行完系统初始化程序后，便等待中断，准备执行上位机发来的各项命令［3］。测试箱的程序流程框图如图5所示。
为了简化用户的操作，我们对上位微机的所有命令进行分析研究，归纳总结六条命令。其中四条为单字节命令，两条为双字节命令。这样处理，用户操作起来方便简单。上位机发出的命令及其功能如下：
a、 0x：上位微机要求读取产品输入给测试箱的一路模拟量，x为通道号，取值范围为0~f。测试箱接到上位微机的命令后，控制该路模拟信号进行模数转换，结果以两个字节送给上位微机。前一字节为数据的高八位，后一字节的高四位为数据的低四位，后四位为通道号。
b、 10 ：上位微机命令测试箱自检。测试箱自检后，结果返回上位微机。
c、 2x：上位微机要求读取产品输入给测试箱的一路数字量，x为通道号，取值范围为0~1。测试箱读取该路产品输入的数字量，以一个字节送给上位微机。
d、 3x：其它功能。
e、 4x xx：这是一条双字节命令，上位微机要求通过测试箱的发送给产品的一路数字量，前x为通道号，取值范围0~1。后两个x，x取值范围为0~f，xx是一个字节的数据。测试箱把该数据锁存在其通道上，控制产品工作。
f、 xx xx：这也是一条双字节命令。双字节命令仅此两条。上位微机要求通过测试箱发送给产品一路模拟量。前x为通道号，x取值范围为8~f。后三个x数据，x取值范围为0~f，xxx是12位二进制数据。测试箱把该数据转换为相应的模拟信号，并作处理，发送给产品。
程序的这样处理，有利于测试箱功能的进一步开发，满足用户的更多要求。
4 结束语
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